阅读说明：本技术 一种深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法 (Deep-sea double-layer pipe well bottom three-channel pressure control system and control method ) 是由 王国荣 苟如意 刘清友 唐洋 周守为 龚彦 李中 钟林 李清平 刘和兴 李炎军 于 2020-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法,包括双层管、套管、钻头、转换接头、外套筒、轴流泵、涡轮马达、液位监测传感器、阀组控制单元、双层管回流管汇、钻井液泵入管汇、钻井泵、钻井液循环罐；所述转换接头连接在双层管的下端上,所述外套筒套设在轴流泵的上半部分上,所述轴流泵、外套筒分别连接在转换接头的下端、中部上,所述轴流泵、涡轮马达、钻头依次连接,所述双层管置于套管内,所述内管、外管、套管为同心管柱。本发明的双层管形成三个钻井液通道,通过改变轴流泵举升性能,实现井底压力自适应控制,有效维持井底钻井液液柱压力的动态平衡。(The invention discloses a deep sea double-layer pipe well bottom three-channel pressure control system and a control method, wherein the system comprises a double-layer pipe, a sleeve, a drill bit, a conversion joint, an outer sleeve, an axial flow pump, a turbine motor, a liquid level monitoring sensor, a valve bank control unit, a double-layer pipe backflow manifold, a drilling fluid pumping manifold, a drilling pump and a drilling fluid circulating tank; the improved axial flow pump is characterized in that the adapter is connected to the lower end of the double-layer pipe, the outer sleeve is sleeved on the upper half portion of the axial flow pump, the axial flow pump and the outer sleeve are respectively connected to the lower end and the middle portion of the adapter, the axial flow pump, the turbine motor and the drill bit are sequentially connected, the double-layer pipe is arranged in the sleeve, and the inner pipe, the outer pipe and the sleeve are concentric pipe columns. The double-layer pipe forms three drilling fluid channels, the self-adaptive control of the bottom pressure of the well is realized by changing the lifting performance of the axial flow pump, and the dynamic balance of the pressure of the drilling fluid column at the bottom of the well is effectively maintained.)

一种深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法，属于深水油气钻井工程技术领域。

背景技术

油气资源开采向着深部地层、低渗透、海洋油气、非常规油气的开采方向发展，我国正积极拓展南海深水领域，但深海钻井开发面临诸多难题，最为突出的就是“钻井安全密度窗口窄”的问题，由于深海海底的疏松沉积和海水柱造成了地层压力和破裂压力的区间很窄。超过钻井安全密度窗口范围就会出现漏失、溢流、井塌和卡钻等钻井事故。如何将井底压力稳定在安全的钻井压力范围内，井底压力的控制方法显得尤为重要。目前常采用双梯度钻井技术来降低井底的压力值，双梯度钻井能够将整个井段分为两个压力梯度，泥线以上为海水压力，泥线以下为地层压力。双梯度钻井技术中常用的方法有：海底泵双梯度钻井技术、隔水管充低密度流体双梯度钻井技术。

海底泵双梯度钻井技术是将隔水管中充满海水，应用海底泵或者旁通回流管线将钻井液直接返排到钻井平台，在整个钻井环空中形成海水段和钻井液段两个密度体系。但海底泵需配备海底固液分离设备，海底泵的可靠性差、岩屑对海底的环境污染，限制了海底泵双梯度钻井技术的现场应用。

隔水管注入低密度介质双梯度钻井技术，其工艺是在钻井液注入气体、空心球或者低密度流体，能有效地降低海水段液柱压力和钻井液流动压耗，使得隔水管中钻井液的密度与海水的密度相当，在钻井环空中形成两个钻井液密度体系。但低密度流体的注入量不易控制，容易导致段塞流，使得钻井液密度控制精度差。低密度介质的注入点和注入装置结构复杂，可靠性较差，经济成本高。

因此，为了提高双梯度钻井技术对井筒压力控制的精度，增强自适应调节功能。有必要设计一种直接从井底有效调控井底压力的装置，并且无需增添大型泵送设备、流体注入装置、岩屑分离装置。该方法可以根据井底压力的变化，及时进行压力调控，为深海油气的安全、高效、经济的开发提供了有力的保障。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法，通过实时监测钻井液的液位，基于双层管形成三个钻井液通道，配合井底轴流泵实现井底压力的自适应调节，使得井底压力处于安全的压力窗口范围内。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种深海双层管井底三通道压力控制系统，包括双层管、套管、钻头、转换接头、外套筒、轴流泵、涡轮马达、液位监测传感器、阀组控制单元、双层管回流管汇、钻井液泵入管汇、钻井泵、钻井液循环罐；

所述双层管包括外管和安装在外管内的内管，所述转换接头连接在双层管的下端上，所述外套筒套设在轴流泵的上半部分上，所述轴流泵、外套筒分别连接在转换接头的下端、中部上，所述轴流泵、涡轮马达、钻头依次连接，所述双层管置于套管内，所述内管、外管、套管为同心管柱，所述内管的内腔为第一通道，所述内管与外管的环空为第二通道，所述外管与套管的环空为第三通道；

所述钻井泵通过钻井液泵入管汇与第一通道连通，所述钻井液循环罐通过双层管回流管汇与第二通道连通，所述液位监测传感器位于第三通道内，所述钻井液泵入管汇上设有钻井液泵入流量控制阀、钻井液泵入流量计，所述双层管回流管汇上设有轴流泵回流流量控制阀、轴流泵回流流量计；

所述钻井液泵入流量控制阀、钻井液泵入流量计、轴流泵回流流量控制阀、轴流泵回流流量计、液位监测传感器均与阀组控制单元电性连接。

进一步的技术方案是，所述转换接头的外表面中部设有直螺纹，下部设有公扣螺纹，其内部具有依次连通的连接腔、钻井液泵入腔；所述连接腔的内壁上设有母扣螺纹，所述转换接头上还设有返排通道，所述返排通道一端与连接腔相通，另一端与转换接头外部相通并位于转换接头的直螺纹和公扣螺纹之间，所述外管螺纹连接在连接腔的内壁上，其第二通道与连接腔相通，所述内管螺纹连接在钻井液泵入腔上，其第一通道与钻井液泵入腔相通；所述外套筒螺纹连接在转换接头的外表面中部上，所述轴流泵螺纹连接在转换接头的外表面下部上，所述返排通道与轴流泵、外套筒之间的环空相通；所述轴流泵的吸入口和排出口被外套筒隔离开，其排出口与轴流泵、外套筒之间的环空相通，吸入口与轴流泵的外部相通。

进一步的技术方案是，所述双层管的外部套设有隔水管，所述隔水管与第三通道相通。

一种深海双层管井底三通道压力控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S10、将套管和双层管分别安装在深海井内；

步骤S20、再在套管与双层管之间的环空内填充用于隔离海水与钻井液的隔断凝胶，并在隔断凝胶内安装监测隔断凝胶液位的液位监测传感器；

步骤S30、钻井泵开始工作将钻井液循环罐内的钻井液泵入到第一通道内，然后通过钻井液泵入流量计实时获取钻井液泵入流量Q_in；通过轴流泵回流流量计实时获取轴流泵回流流量Q_out；通过液位监测传感器实时获取第三通道钻井液液位H；

步骤S40、根据第三通道钻井液液位H的数据情况，合理的匹配钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out，使得轴流泵的举升性能发生改变，举升性能的改变来调节井底的钻井液液体柱压力，使其井底的压力与地层压力相等；

其具体步骤为：当实时监测到第三通道钻井液液位H不变时，此时井底的压力与地层压力相等，正常钻井状态；

当实时监测到第三通道钻井液液位H减低时，此时井底发生漏失，钻井液漏失进入地层；立即向阀组控制单元发送信号，阀组控制单元改变钻井液泵入流量控制阀和轴流泵回流流量控制阀的开度；将钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out之间的差值控制在大于零，将第三通道钻井液液位H进一步降低到不变时；此时井底压力减小与地层压力达到新的平衡，压力调控达到控制井底漏失的目的，再次进入正常钻井状态；

当实时监测到第三通道钻井液液位H增大时，此时井底发生溢流，地层流体侵入；立即向阀组控制单元发送信号，阀组控制单元改变钻井液泵入流量控制阀和轴流泵回流流量控制阀的开度；将钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out之间的差值控制在小于零，将第三通道钻井液液位H进一步增大到不变时；此时井底压力增大与地层压力达到新的平衡，压力调控达到控制井底溢流的目的，再次进入正常钻井状态。

进一步的技术方案是，所述步骤S30中第一通道内的的钻井液从双层管经转换接头的钻井液泵入腔依次进入轴流泵、涡轮马达，钻井液驱动涡轮马达转动后，从钻头喷出；同时涡轮马达驱动轴流泵工作，将第三通道内钻井液由吸入口吸入，并从排出口排出到轴流泵与外套筒之间的环空内，环空内的钻井液再经过第二通道进入双层管回流管汇内，最后回流到钻井液循环罐内。

进一步的技术方案是，所述步骤S40中通过以下三种方式将钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out之间的差值控制在大于零：①钻井液泵入流量Q_in增大，轴流泵返回流量Q_out不变；②钻井液泵入流量Q_in不变，轴流泵返回流量Q_out减小；③钻井液泵入流量Q_in增大，轴流泵返回流量Q_out减小。

进一步的技术方案是，所述步骤S40中通过以下三种方式将钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out之间的差值控制在小于零：①钻井液泵入流量Q_in不变，轴流泵返回流量Q_out；增大②钻井液泵入流量Q_in减小，轴流泵返回流量Q_out不变；③钻井液泵入流量Q_in减小，轴流泵返回流量Q_out增大。

本发明具有以下有益效果：

1、双层管形成三个钻井液通道，通过改变轴流泵性能，实现井底压力自适应控制，有效维持井底钻井液液柱压力的动态平衡；

2、精确监测钻井液液位，提高双梯度钻井的井底压力控制精度，确保井底压力处于安全密度窗口之内，有利于实现安全、经济、高效的钻进；

3、系统结构简单、控制方便，作业成本低。

附图说明

图1为深海双层管井底三通道压力控制系统及控制方法结构示意图；

图2为深海双层管的双层管结构示意图；

图3为深海双层管井底三通道结构示意图；

图4为深海双层管井底轴流泵与双层管和钻头连接的结构示意图；

图5为深海双层管井底三通道压力控制的控制框图；

图6为根据本发明应对井底漏失的井底压力控制示意图；

图7为根据本发明应对井底溢流的井底压力控制示意图；

图8为转换接头的结构示意图；

图9为双层管的左视图的结构示意图。

图中所示：101.双层管，103.钻井液泵入流量控制阀，104.钻井液泵入流量计，105.轴流泵回流流量控制阀，106.轴流泵回流流量计，107.液位监测传感器，108.阀组控制单元，109.双层管回流管汇，110.钻井液泵入管汇，111.钻井泵，112.钻井液循环罐，113.海平面，114.泥线，115.套管，116.钻井液，117.海水，118.隔断凝胶，119.钻头，120.吸入口，121.排出口，1011.外管母扣螺纹，1012.外管公扣螺纹，1013.内管，1014.外管，1015.第一通道，1016.第二通道，1017.第三通道，1018.隔水管，1021.转换接头，1022.外套筒，1023.涡轮马达，1024.轴流泵，1025.母扣螺纹，1026.公扣螺纹，1027.母扣螺纹，1028.公扣螺纹，1029.直螺纹。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

如图1所示，本发明一种深海双层管井底三通道压力控制系统，包括双层管101、转换接头1021、套管115、钻头119、外套筒1022、轴流泵1024、涡轮马达1023、液位监测传感器107、阀组控制单元108、双层管回流管汇109、钻井液泵入管汇110、钻井泵111、钻井液循环罐112；

如图2和9所示，所述双层管101包括外管1014和安装在外管1014内的内管1013，所述外管1014的内腔上端设置外管母扣螺纹1011，外表面下端设置外管公扣螺纹1012，内管1013和外管1014为同心管柱；

如图1所示，所述双层管101置于套管115内，所述内管1013的内腔为第一通道1015，所述内管1013与外管1014的环空为第二通道1016，所述外管1014与套管115的环空为第三通道1017，所述第三通道1017与隔水管连通；

如图8所示，所述转换接头1021的外表面中部设有直螺纹1029，下部设有公扣螺纹1028，其内部具有依次连通的连接腔、钻井液泵入腔；所述连接腔的内壁上设有母扣螺纹1027，所述转换接头1021上还设有返排通道，所述返排通道一端与连接腔相通，另一端与转换接头外部相通并位于转换接头1021的直螺纹1029和公扣螺纹1028之间；

如图4所示，所述外管1014螺纹连接在连接腔的内壁上，其第二通道1016与连接腔相通，所述内管1013螺纹连接在钻井液泵入腔上，其第一通道1015与钻井液泵入腔相通；所述外套筒1022螺纹连接在转换接头1021的外表面中部上，所述轴流泵1024螺纹连接在转换接头1021的外表面下部上，所述轴流泵1024、涡轮马达1023、钻头119依次螺纹连接；

所述返排通道与轴流泵1024、外套筒1022之间的环空相通；所述轴流泵1024的吸入口120和排出口121被外套筒1022隔离开，其排出口121与轴流泵1024、外套筒1022之间的环空相通，吸入口120与轴流泵1024的外部相通；

所述钻井泵111通过钻井液泵入管汇110与第一通道1015连通，所述钻井液循环罐112通过双层管回流管汇109与第二通道1016连通，所述液位监测传感器位于第三通道1017内，所述钻井液泵入管汇110上设有钻井液泵入流量控制阀103、钻井液泵入流量计104，所述双层管回流管汇109上设有轴流泵回流流量控制阀105、轴流泵回流流量计106；

所述钻井液泵入流量控制阀103、钻井液泵入流量计104、轴流泵回流流量控制阀105、轴流泵回流流量计106、液位监测传感器107均与阀组控制单元108电性连接。

如图1-4所示，本发明在实际应用时，会在第三通道1017内填充用于隔离海水117与钻井液116的隔断凝胶118，并在隔断凝胶118内安装监测隔断凝胶118液位的液位监测传感器107。

本发明开始工作时，钻井泵111将钻井液循环罐112内的钻井液116泵入到第一通道1015内，如图4所示，图中箭头表示了钻井液的流动过程，第一通道1015的钻井液从双层管101经转换接头1021的中心进入轴流泵1024、涡轮马达1023，钻井液驱动涡轮马达1023转动后，从钻头119喷出；同时涡轮马达1023驱动轴流泵1024工作，第三通道1017的钻井液由轴流泵1024吸入口120进入到轴流泵1024，钻井液经排出口121排出，由外套筒1022经过转换接头1021进入第二通道1016。此时第一通道1015和第二通道1016充满钻井液，第三通道1017充满钻井液116、海水117和隔断凝胶118。

如图1和图2所示，所述钻井液泵入流量控制阀103，能通过控制阀开度控制钻井液进入双层管101内管1013的泵入流量Q_in；所述钻井液泵入流量计104，能实时监测单位时间内钻井液进入双层管101内管1013的体积；所述轴流泵回流流量控制阀105，能通过控制阀开度控制双层管101外管1014钻井液的返回流量Q_out；所述轴流泵回流流量计106，能实时监测单位时间内钻井液从双层管101外管1014返回的体积；

如图1和图3所示，所述液位监测传感器107能实时获取双层管101与套管115之间环空的钻井液的液位，并将该液位值实时的传输到阀组控制单元108，所述液位监测传感器107处于胶体状的隔断凝胶118中，所述隔断凝胶118将第三通道1017中的海水117和钻井液116隔离开；所述阀组控制单元108根据钻井液液位信号，可以实时控制钻井液泵入流量控制阀103和轴流泵回流流量控制阀105；

如图1和图2所示，所述钻井泵111与双层管101的内管1013采用钻井液泵入管汇110连接，形成钻井液泵入通道；所述钻井液循环罐112与双层管101的外管1014采用双层管回流管汇109连接，形成钻井液的返回通道。

上述一种深海双层管井底三通道压力控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S10、将套管115和双层管101分别安装在深海井内；

步骤S20、再在套管115与双层管101之间的环空内填充用于隔离海水117与钻井液116的隔断凝胶118，并在隔断凝胶118内安装监测隔断凝胶液位的液位监测传感器107；

步骤S30、钻井泵111开始工作将钻井液循环罐112内的钻井液泵入到第一通道1015内，然后通过钻井液泵入流量计实时获取钻井液泵入流量Q_in；通过轴流泵回流流量计实时获取轴流泵回流流量Q_out；通过液位监测传感器实时获取第三通道钻井液液位H；

步骤S40、基于钻井液液位信号，阀组控制单元108对钻井液泵入流量控制阀103和轴流泵回流流量控制阀104进行控制，通过改变阀门的开度，实现钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out的调节，钻井液泵入流量计105实时监测钻井液泵入管汇110的流量变化，轴流泵回流流量计106实时监测双层管回流管汇109的流量变化，钻井液泵入流量计105和轴流泵回流流量计106信号反馈到阀组控制单元108；

钻井液通过第一通道1015泵入，钻井液泵入流量Q_in的改变，可以改变轴流泵102的举升性能，当泵入流量Q_in增大时，轴流泵102的涡轮马达1023转速和扭矩增大，轴流泵1024的转速、泵出压力和泵出流量增大，当泵入流量Q_in减小时，涡轮马达1023转速和扭矩减小，轴流泵1024的转速、泵出压力和泵出流量减小；

钻井液通过第二通道1016泵出，轴流泵返回流量Q_out的改变，可以改变轴流泵1024的举升性能，当返回流量Q_out增大时，轴流泵1024的泵出压力和扬程减小，当返回流量Q_out减小时，轴流泵1024的泵出压力和扬程增大；

根据钻井工况，合理的匹配钻井液泵入流量Q_in和轴流泵返回流量Q_out，轴流泵1024的举升性能发生改变，举升性能的改变能有效调节井底的钻井液液体柱压力，也即调节第三通道1017的液柱压力。

如图4，图5，图6和图7所示，钻井工况分为三种：第一种：正常钻井时，井底的压力与地层压力处于动态平衡；

第二种：当井底压力小于地层压力，井底发生溢流，地层流体侵入。

第三种：当井底压力大于地层压力，井底发生漏失，钻井液漏失进入地层。

其中，当地层流体侵入或者钻井液漏失时，第三通道1017的钻井液液位发生变化，液位监测传感器107实时获取第三通道1017钻井液的液位，向阀组控制单元108发送信号，阀组控制单元108改变钻井液泵入流量控制阀103和轴流泵回流流量控制阀105的开度，钻井液泵入流量计104和轴流泵回流流量计105分别监测到Q_in和Q_out的变化，并实时反馈给阀组控制单元108。Q_in和Q_out的合理匹配可以实现轴流泵1024的举升性能的改变。轴流泵1024的举升性能的改变决定了第三通道1017钻井液液位的变化，达到井底压力调控的目的，当井底压力与地层压力达到新的平衡点，第三通道1017钻井液液位不再变化，阀组控制单元108停止控制阀开度的调节，轴流泵1024维持稳定的举升性能，确保正常钻井过程中，井底当量密度始终处于安全密度窗口范围内。

如图1，图3，图4和图6所示，正常钻井时，井底的压力与地层压力相等，井底压力由第三通道1017的海水液柱L和钻井液液柱H决定。当井底压力大于地层压力，井底发生漏失，钻井液漏失进入地层。第三通道1017的钻井液液位由图6a中H减低到图6b中H1，海水液柱由L增大为L1，液位监测传感器107实时获取到第三通道1017钻井液液位降低为H1，向阀组控制单元108发送信号，阀组控制单元108改变钻井液泵入流量控制阀103和轴流泵回流流量控制阀105的开度，钻井液泵入流量计104和轴流泵回流流量计106分别监测到Q_in和Q_out的变化，并实时反馈给阀组控制单元108。此时Q_in和Q_out可以有以下三种匹配方式，①Q_in增大，Q_out不变；②Q_in不变，Q_out减小；③Q_in增大，Q_out减小；当Q_in与Q_out的差值ΔQ>0时，轴流泵1024的吸入能力增强，出口压力增大，轴流泵1024的扬程增大，在第二通道1016中钻井液被举升的液柱增大，由图6b中的h增大为图6c中h1，间接地导致第三通道1017钻井液的液位由图6b中H1减低到由图6c中H2，钻井液液位的降低到H2导致第三通道1017的液柱压力减小，井底压力由第三通道1017的海水液柱L2和钻井液液柱H2决定，由于海水密度小于钻井液密度，由于井深未发生变化，钻井液液柱由H1减小为H2导致井底压力减小，海水液柱由L1增大到L2，当井底压力减小与地层压力达到新的平衡时，压力调控达到控制井底漏失的目的。

如图1，图3，图4和图7所示，正常钻井时，井底的压力与地层压力相等，井底压力由第三通道的海水液柱L和钻井液液柱H决定。当井底压力小于地层压力，井底发生溢流，地层流体侵入。第三通道1017的钻井液液位由图7a中H增大到图7b中的H3，海水液柱由L减小为L3，液位监测传感器107实时获取到第三通道1017钻井液液位升高为H3，向阀组控制单元108发送信号，阀组控制单元108改变钻井液泵入流量控制阀103和轴流泵回流流量控制阀105的开度，钻井液泵入流量计104和轴流泵回流流量计106分别监测到Q_in和Q_out的变化，并实时反馈给阀组控制单元108。此时Q_in和Q_out可以有以下三种匹配方式，Q_in不变，Q_out增大；Q_in减小，Q_out不变；Q_in减小，Q_out增大；当Q_in与Q_out的差值ΔQ<0时，轴流泵1024的吸入能力减弱，出口压力减小，轴流泵1024的扬程减小，在第二通道1016中钻井液被举升的液柱减小，由图7b中的h减小为图7c中h2间接地导致第三通道1017钻井液的液位由图7b中H3减低到由图7c中H4，钻井液液位的升高到H4导致第三通道1017的液柱压力增大，井底压力由第三通道1017的海水液柱L4和钻井液液柱H4决定，由于海水密度小于钻井液密度，井深未发生变化，钻井液液柱由H3增大为H4导致井底压力增大，海水液柱由L3减小为L4，井底压力增大与地层压力达到新的平衡，达到控制井底溢流的目的。再次进入正常钻井状态。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。